Обследование окружающей природной среды в зоне деятельности свалки ТБО г. Владивостока

 

Физические процессы

К наиболее важным физическим процессам, происходящим на полигоне, относятся: уплотнение (сжатие), растворение, сорбция и уменьшение размера частиц. В ходе чисто физических процессов не происходит изменения химического состава материала.

Уплотнение и оседание полигона тесно связаны друг с другом, поэтому их можно описывать одновременно. Аналогичным образом связаны друг другом механизмы растворения и переноса, но не так как уплотнение и оседание. Все четыре процесса происходят на всех участках полигона.

Уплотнение отходов на полигоне является постоянным процессом, который начинается со сжатия (и уменьшения размера) отходов при помощи оборудования, которое разрушает (т.е. уплотняет) отходы во время дневной работы и продолжается после их стабилизации, постоянное уплотнение является результатом разрушения отходов под силовым воздействием вышележащих отходов и слоя грунта. Потеря механической прочности некоторых материалов на полигоне в результате химико-биологических реакций приводит к уменьшению размера отходов под воздействием сил сжатия. Оседание частиц грунта и других мелких частиц, находящихся среди более крупных частиц отходов, под воздействием силы гравитации также способствует уплотнению. Оседание (т.е. уменьшение объема конкретной массы материала) закрытого полигона является конечным результатом уплотнения. Оседание является результатом ряда реакций (например, потеря массы в результате химико-биологического разложения).

Другим физическим процессом, происходящим на полигоне, является абсорбция. Основные последствия абсорбции включают:

1. сохранение массы и иммобилизация (связывание) растворенных загрязнителей путем предотвращения их переноса водой и выпадения в осадок за пределами полигона;
2. смягчение и последующая потеря прочности биологически разлагаемых органических материалов.

Абсорбционный потенциал полигона тесно связан с содержанием волокон в его толще. В промышленно развитых странах абсорбционный потенциал полигона высок благодаря повышенному содержанию бумаги. Второстепенную роль играет абсорбция, характерная для других видов волокон (например, хлопок и шерсть). Причина заключается в низком содержании этих материалов в отходах в промышленно развитых странах.

В экономически развивающихся странах ситуация может существенно отличаться. Например, доля бумаги и других волокон, как правило, низка, что существенно снижает абсорбцию этих материалов. Кроме низкого содержания в отходах волокон, большая часть волокон может быть полностью или частично насыщена, так как твердые отходы в развивающихся странах имеют высокое содержание влажного, подверженного гниению материала. Например, остатки некоторых сельскохозяйственных культур (особенно сухие остатки) могут обладать некоторым абсорбционным потенциалом, а население островов может выбрасывать большое количество бумажной упаковки в связи с зависимостью от импорта товаров.

Наконец, не следует забывать, что в ряде случаев практически все абсорбирующие материалы на полигоне насыщаются. Как следствие этого, абсорбция может выступать в качестве отдаленного процесса высвобождения загрязнителей.

Абсорбция газа водой является одной из разновидностей абсорбционных процессов, происходящих на полигоне. Например, СО2 (основной компонент образующегося на полигоне биогаза) растворяется в воде, содержащейся в теле полигона.

В результате некоторых процессов в теле полигона происходит уменьшение размера частиц. Например, под воздействием уплотняющего оборудования уменьшается размер таких компонентов как стеклотара и бумажная упаковка при их складировании на полигоне. В теле полигона деятельность микробов нарушает прочность на сжатие и растяжение различных органических компонентов, что приводит к их разрыву. В то же время, смещение распределения частиц материалов в сторону более мелких способствует химико-биологическим реакциям на полигоне. Скорость реакции возрастает в зависимости от площади поверхности субстрата (в данном случае, отходов на полигоне) и, как следствие, размера частиц.

 

Химические процессы

Основные виды химических реакций, происходящих на полигоне: окислительно-восстановительные и рН-зависимые реакции. Второй вид реакций является следствием присутствия органических кислот и двуокиси углерода (СО2), образующихся или синтезирующихся в ходе биологических процессов и растворенных в воде (Н2О). К рН-зависимым относятся реакции, воздействующие на характеристики поверхности, такие как абсорбция, а также реакции, влияющие на растворимость химических соединений. Окислительно-восстановительным реакциям особенно подвержены черные металлы

Присутствие органических кислот приводит к растворению и мобилизации значительного количества отходов на полигоне и, как следствие, создает потенциальный источник загрязнения окружающей среды. Растворение в воде СО2, снижает рН, делая многие металлы растворимыми, в первую очередь кальций и магний. Как правило, в фильтрате содержатся карбонаты и ионы металлов.

Количество воды, попадающей на полигон, играет важную роль для происходящих в нем реакций. Вода является средой для растворения растворимых веществ и переноса материалов, вступивших в реакцию.

Различные размеры частиц и отходов, имеющихся на полигоне, создают благоприятные условия для адсорбции. Из всех физических явлений, происходящих на полигоне, адсорбция играет важнейшую роль, так как приводит к иммобилизации множества живых и неживых веществ, потенциально способных вызвать загрязнение окружающей среды при выносе с полигона.  Адсорбция может играть важную роль в контроле вирусов, патогенов и некоторых химических веществ. Однако адсорбция имеет ряд ограничений. Одно из них – нестабильность, свойства адсорбирующего материала меняются под воздействием химического разложения. Химические реакции, а также химические характеристики некоторых материалов на полигоне оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Это особенно актуально для полигонов в экономически развивающихся странах, где отсутствует надлежащий контроль за поступающими отходами и разрешается окончательное складирование таких загрязнителей как инсектициды, гербициды, каустические и прочие материалы. Побочные продукты реакций обычно можно обнаружить в наблюдательных колодцах. Ряд важных соединений, которые могут быть использованы в качестве индикаторов потенциальной миграции загрязнителей на полигоне, включают нитрат, летучие жирные кислоты и ионы аммония. Последние два являются наиболее надежными и предпочтительными для мониторинга нитратов. Уровень ионов аммония относительно высок при разложении органических материалов. Ионы аммония вызывают наибольшие трудности из-за высокой мобильности во влажной подземной среде. Использование ионов аммония в качестве индикатора потенциального загрязнения может быть оправдано, если на соседних участках отсутствуют другие возможные источники ионов аммония, другими индикаторами миграции химических веществ за пределы полигона являются повышенные уровни Са, Мg, С1, удельная проводимость, общий органический кислород, БПК и ХПК в колодцах и поверхностных водах.

 

Биологические процессы

Биологические реакции, происходящие на полигоне, важны по двум причинам.

• содержащиеся на полигоне материалы, подверженные биологическому разложению, являются биологически стабильными и более не являются потенциальным источником загрязнения окружающей среды. Основные типы биоразложимых органических твердых отходов включают остатки пищи и овощей, бумагу и бумажные продукты, а также «естественные волокна» (волокнистые материалы растительного или животного происхождения).
• важное значение имеет преобразование содержащих углерод и белок твердых отходов в газ, тем самым значительно снижающее массу и, в итоге, объем биоразложимых твердых органических отходов.

Лишь незначительная доля питательных элементов, содержащихся в отходах, преобразуется в микробную протоплазму. В конечном итоге, после гибели популяций микробов эта протоплазма подвергнется разложению, тем самым создавая резервный материал разложения в будущем. В целом, биологическое разложение может происходить в аэробных или анаэробных условиях. Поскольку отходы складируются и находятся на полигоне продолжительное время, экологическая система полигона является динамичной. На конкретном участке в теле полигона в исходном объеме с конкретной массой отходов аэробные реакции предшествуют анаэробным. Хотя обе фазы важны, анаэробное разложение оказывает более сильное и длительное воздействие с точки зрения характеристик полигона. На рис. 1 показана схема аэробных и анаэробных процессов на полигоне.

Отрицательные воздействия на окружающую среду во время аэробной фазы минимальны, так как конечные продукты биологического разложения - инертные неорганические твердые вещества, СО2 и Н20. Хотя во время аэробной фазы могут выделяться промежуточные продукты разложения, их количество и относительный вклад в загрязнение окружающей среды незначительны.

 

200                400

Время (дни)

Рис. 1. Характеристики химико-биологических процессов, происходящих на полигоне.

COD = Chemikal Oxygen Demand   ХПК = Химическая Потребность в кислороде; TVA = Total Volatile Acids   ОЛК = Общие Летучие Кислоты.

 

Как отмечалось выше, количество кислорода, попадающего на полигон вместе с отходами, расходуется относительно быстро. Как следствие этого, большая часть биоразлагаемого органического вещества на полигоне, в конечном итоге, подвергается анаэробным биологическим процессам. Среди прочих свойств, основное различие между аэробной и анаэробной фазами заключается в отсутствии заметного образования тепла последней фазой. Таким образом, в течение анаэробной фазы температура отходов на полигоне постепенно падает с высоких значений, характерных для аэробной фазы практически до температуры окружающей среды.

Побочные продукты анаэробного разложения могут оказывать значительное негативное воздействие на окружающую среду при отсутствии надлежащего контроля. Можно выделить две группы побочных продуктов:

1. летучие органические кислоты;
2. газы.

Большая часть органических кислот - это жирные кислоты с короткой цепочкой с характерным неприятным запахом. Они составляют часть промежуточных продуктов (помимо Н; и СО;), образующихся во время первой фазы (обычно называемой «кислотообразующая фаза»). Примеры органических кислот - муравьиная, уксусная, пропионовая и изовалериановая. Из-за присутствия кислот, рН местной окружающей среды низкая (кислотная), и жидкость (фильтрат) химически агрессивна. В результате концентрация фильтрата высока с точки зрения концентрации ионов и органики. Кроме участия в химических реакциях с другими компонентами, кислоты играют роль субстрата для метанобразующих микроорганизмов. Для второй фазы (метаногенной) анаэробного процесса характерно преобразование жирных кислот и Н2 образующихся во время кислотообразующей фазы, в СО2 и СН4. Состояние окружающей среды в эту фазу характеризуется нейтральным рН и фильтратом, менее агрессивным по сравнению с кислотообразующейся фазой.

Два основных газа, образующихся во время анаэробных процессов - метан (СН4) и диоксид углерода (СО2). Сероводород (Н2S), водород (Н2) и азот (N2) обычно присутствуют в следовых концентрациях.

Экологические факторы, влияющие на все виды биологической деятельности, существенно воздействуют на процессы, скорость и масштаб биологического разложения на полигоне. Процессы биологического разложения определяют характер разложения продуктов. Скорость разложения регулирует различные виды деятельности, включая длительность периода мониторинга возможных эмиссий загрязнителей и интервал, по окончании которого закрытый полигон можно использовать. При этом не существенно, в каких целях планируется использовать закрытый полигон: рекреационных, сельскохозяйственных или других.

При использовании закрытого полигона скорость оседания, как правило, является основным сдерживающим фактором. Оседание продолжается вплоть до завершения процесса биологического разложения отходов. Естественно, любое повышение скорости разложения сделает площадку пригодной для использования быстрее, если процессы будут происходить с нормальной (т.е. неуправляемой) скоростью. Так же очевиден тот факт, что использование площадки до конца биологической стабилизации связано с большой степенью риска.

Основные факторы, влияющие на биологическое разложение отходов на современном полигоне - это влажность, питательная среда для микробов и степень сопротивления отходов воздействию микробов. Влажность является важнейшей переменной относительно скорости и степени разложения отходов на полигоне. В анаэробных условиях, чем выше содержание влаги в отходах, тем активнее проходят биологические процессы. При содержании влаги в биоразложимых отходах менее 20%, активность анаэробных процессов значительно снижается. Таким образом, можно ожидать, что анаэробное разложение будет происходить очень медленно на полигонах (попадание воды в которые существенно затруднено и контролируется), где отходы относительно сухие, либо на полигонах, расположенных в засушливых районах, куда поступают отходы с низким содержанием влаги (например, твердые биологические материалы, отходы от приготовления пищи и отходы зеленой растительности).

Активность микробов повышается с увеличением температуры до примерно 40°С при отсутствии ограничений со стороны других факторов. Для некоторых видов микробов верхний предел температуры, тормозящий их активность, составляет от 55 до б5°С.

Питательные вещества играют важную роль в процессе разложения. Отходы с высоким содержанием легкоорганического вещества, подверженного гниению, являются почти идеальным источником питательных веществ, необходимых для оптимизации процессов разложения субстрата. Среди отходов, относящихся к этой категории, можно упомянуть зеленые остатки сельскохозяйственных культур, отходы от приготовления пищи, рыночные отходы, человеческие нечистоты и навоз.

 

Образование фильтрата.

Судьба воды, поступающей на полигон, не используемой в биохимических реакциях и не содержащейся в виде водяного пара в биогазе, двояка:

1. она может удерживаться на полигоне;
2. она может превратиться в фильтрат.

Материал, составляющий изолирующее покрытие, и отходы на полигоне обладают характерной полевой влагоемкостью, т.е. способностью удерживать влагу и препятствовать ее истечению вплоть до насыщения.

Потенциальное количество фильтрата, способного образоваться на конкретном полигоне, равно количеству влаги на полигоне, превышающему полевую влагоемкость. Влагоемкость определяется составом отходов.

 

Миграция фильтрата.

На «обычном» полигоне фильтрат мигрирует по направлению к основанию полигона. При отсутствии противофильтрационного экрана, фильтрат имеет тенденцию мигрировать из основания полигона в подстилающие грунты. Однако, в зависимости от типа материала, окружающего полигон, существует вероятность горизонтальной миграции фильтрата в системе «грунт - отходы». Одной из серьезных проблем, связанных с неконтролируемой вертикальной миграцией фильтрата, является потенциальное загрязнение грунтовых вод. Скорость миграции

Q = КSН/L,   где:

О - скорость потока фильтрата (л/год);

К - гидравлическая проводимость (л/м2 в год);

S - площадь сечения полигона, через которую протекает фильтрат (м2);

Н/L - гидравлический градиент (м/м);

Н - потери напора (м).

В Таблице 3 приведены характерные значения гидравлической проводимости различных грунтов.

Таблица 3. Гидравлическая проводимость (К) различных грунтов

Материал	м/сутки	л/м2 в год
Однородный крупный песок	4,1 * 102	1,5* 108
Однородный средний песок	1 *102	3,7* 107
Чистый, сортированный песок  песок и гравий	1*102	3,7*107
Однородный мелкий песок	4,1*10°	1,5* 10е
Пылеватый песок	9*10-2	3,3*104
Однородный ил	5*10-2	1,8*104
Глинистый песок	5*10-2	1,8* 103
Песчаная глина	9*10-4	3,3 *102
Глина (30-50% размер глины)	9*10-5	3,3*101
Коллоидная глина	9*10-7	З* 10-1